JP5804563B2 - 井戸温泉熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、源泉に向けて挿入される管状の密閉体と、源泉から温泉水を汲み上げて密閉体の外方に揚湯管を介して吐出するように密閉体内に配置される揚湯ポンプと、を備え、揚湯管内の温泉水と水管内の水との間で熱交換させる井戸温泉熱交換装置に関する。

従来、湧き出た源泉水（温泉水）を汲み上げて地上の源泉タンクに貯湯し、源泉タンクと第１ポンプとの間で循環させる第１循環管路と、一般水（水）を一次貯水槽に貯水し、一次貯水槽と第２ポンプとの間で循環させる第２循環管路と、第１循環管路内を循環する源泉水と第２循環管路内を循環する一般水との間で熱交換させる熱交換器と、を備える温泉熱回収装置（井戸温泉熱交換装置）がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１４７５０号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に記載の井戸温泉熱交換装置にあっては、湧き出た源泉水（温泉水）を汲み上げて地上の源泉タンクに貯湯した上で、熱交換のために源泉タンクと第１ポンプとの間で熱交換器を介して循環させているために、源泉タンクにおいて湧き出た源泉水（温泉水）内の不溶性成分が空気中の酸素と反応することで析出・沈殿し、源泉タンクの内面及び温泉水が通る循環管路（熱交換器）の内周面にこれら不溶性成分の析出物・沈殿物が付着して源泉水の流れが遮られてしまうという問題があった。また、湧き出た源泉水を汲み上げて地上の源泉タンクに貯湯した温泉水は源泉水の温度より温度低下しているため有効な熱交換が得られないという問題もあった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、空気と触れることなく源泉水と一般水とを直接熱交換して温泉水内に析出物・沈殿物が生じることなく高温の源泉水と効率よく熱交換させることができる井戸温泉熱交換装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の井戸温泉熱交換装置は、
源泉に向けて挿入された管状の密閉体と、前記源泉から源泉水を汲み上げて前記密閉体の外方に揚湯管を介して吐出するように前記密閉体内に配置される揚湯ポンプと、を備え、前記源泉から揚湯ポンプまでに汲み上げられる源泉水と前記源泉水近傍まで挿入された水管内の真水との間で熱交換させる井戸温泉熱交換装置であって、
前記密閉体は、地上側から源泉に向けて上方ケーシング、中間ケーシング及び下方ケーシングで構成されており、上方ケーシング内には源泉水を汲み上げる揚湯ポンプと、汲み上げた源泉水を地上側に供給する揚水管とを囲繞する内ケーシングと、が設けられ、
前記水管は地上より上方ケーシングと内ケーシングの間を通り、中間ケーシング及び下方ケーシングを経て先端が源泉近傍まで延在する流入管と、該流入管の先端と連通接続し下方ケーシング、中間ケーシングを経て上方ケーシングと内ケーシングの間を通って地上まで延在する返出管とで構成され、前記中間ケーシングは上方ケーシングよりも長く、口径は縮径されていることを特徴としている。
この特徴によれば、流入管より送られ源泉近傍で折り返して返出管を介して地上に戻る水管内の真水は、前記揚湯ポンプにより汲み上げられる地底温度に近い高い温度の源泉水と常に熱交換できるので、地上部で熱交換するものと比較して高温の温水を得ることができる。また水管内の真水は源泉水と直接接触することなく密閉体内で熱交換するので、地上に設けた熱交換用の源泉タンクや熱交換器を使用する必要がなく、源泉タンクの内面及び熱交換器の内周面にこれら不溶性成分の析出物・沈殿物が付着する虞がない。更に温泉井戸内にて温水を作ることができるので、上屋等のスペースも必要としない。

本発明の井戸温泉熱交換装置は、
前記水管には水管内を流れる真水に旋回運動を与える旋回手段を備えていることを特徴としている。
この特徴によれば、水管内の真水が旋回手段により管内で旋回運動しながら移動するので、真水の温度の均一化が図れ、効率的に熱交換を行うことができる。

本発明の井戸温泉熱交換装置は、
前記流入管内の真水は貯水槽に貯水された真水を給水ポンプにより送水したものであって、前記返出管を介して貯湯槽に戻るように構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、短時間で貯湯槽内に所定温度の温水を得ることができる。

本発明の井戸温泉熱交換装置は、
前記密閉体内の流入管と返出管は浮力パイプに固定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、流入管と返出管の重量が浮力パイプにより軽減するので、水管の施工や補修時の操作が容易となる。

実施例における井戸温泉熱交換装置の要部を示す概略図である。 は井戸温泉熱交換装置の熱交換部及び揚水部の詳細図及び熱交換部先端の拡大図である。 （ａ）は図２の平面図及び、（ｂ）は図２（ａ）のア−ア断面図である。 （ａ）は図２の熱交換部先端の拡大図のイ−イ断面図、（ｂ）は浮力パイプの断面図である。 井戸温泉熱交換装置の揚水部及び貯槽部との関連詳細図である。 井戸温泉熱交換装置の変形例を示す概略図である。

本発明に係る井戸温泉熱交換装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る井戸温泉熱交換装置につき、図１を参照して説明する。図１の符号Ａは地表からの深度が１０００ｍから１５００ｍにおける地熱等により約３０℃から１５０℃程度に熱せられた源泉部であって、揚水部Ｃによって汲み上げられた源泉部Ａからの源泉水は地上の給湯設備等に供給される。

一方０℃から２０℃程の真水は地上よりポンプにより水管を介して源泉部Ａ近傍まで給水された後、折り返して再び地上まで戻って貯槽部Ｄに貯水される。そして揚水部Ｃと源泉部Ａは密閉部Ｅによって囲繞されているために、揚水部Ｃが揚水ポンプにより運転されている間、常に源泉水が密閉部Ｅ内を通して汲み上げられており、源泉部Ａ近傍まで延びた水管内の真水は、揚水部Ｃと源泉部Ａとの間を流れる源泉水と熱交換部Ｂにおいて熱交換され温水となって貯槽部Ｄに戻って貯湯することが可能となる。貯槽部Ｄに貯湯された温水は、風呂、シャワー、融雪、床暖、温床、洗濯、あるいは養殖場、冬の温野菜園に運ばれ、用途に応じて使用される。

図２は井戸温泉熱交換装置の熱交換部Ｂ及び揚水部Ｃの詳細図であって、源泉部Ａに向けて掘削機等で掘削された温泉井戸３に挿入される管状の密閉部Ｅは、外ケーシングとしての密閉体５と、該密閉体５内に配置され、源泉部Ａから硫黄、カルシウム、珪素、鉄、マンガン等が溶解している高温の源泉水１を汲み上げる揚湯ポンプ７と、汲み上げられた源泉水１を地上の給湯設備等に供給するための揚水管９とを囲繞する内ケーシング１１とで構成され、また密閉体５内には、地上よりポンプを用いて源泉部Ａ近傍まで延び折り返して再び地上まで戻る真水を供給するための水管１３が配置されている。

密閉体５は、上下寸法が本実施例では約１２００から１３００メートルと長寸に形成されており、温泉井戸３に挿入することによって下端部を源泉部Ａ内に配置するとともに、源泉部Ａからの源泉水１が汲み上げられる途中で空気に触れないよう密閉している。また、密閉体５の下端部には、密閉体５の内部と外部とに連通する源泉水１が流入可能な採温水口５ａが複数形成されている。

水管１３は地上より密閉体５の上方部を構成する上方ケーシング５−１と内ケーシング１１の間を通り、更に熱交換部Ｂに延びて源泉部Ａ近傍の採温水口５ａまで延びる真水の送り出すための流入管１３ａと、この流入管１１ａの先端と連通接続すると共に折り返して熱交換部Ｂ、上方ケーシング５−１と内ケーシング１１の間を通って密閉体５の外に延出して地上に配設した貯槽部Ｄに熱交換された真水の温水を移送する返出管１３ｂから成る１本の管で構成されている。

揚湯ポンプ７と揚水管９から成る揚水部Ｃの外周を囲繞する内ケーシング１１はおよそ口径が１５０ｍｍφを有し、図３（ａ）にも示すように、この内ケーシング１１の外側と上方ケーシング５−１との間に、口径が５０ｍｍφの流入管１３ａと同じく口径が５０ｍｍφの返出管１３ｂが配置され、そして口径が３００ｍｍφの上方ケーシング５−１が約１００メートルに亘り揚水部Ｃを囲繞するようにして温泉井戸３に挿入されている。

図２に示すように、上方ケーシング５−１の外部に延びた揚湯管９は逆止弁１５、手動弁１７を介して、給湯設備等に源泉水を直接送水する送水管１９に接続していおり、また揚湯管９の最上端部には、揚湯管９内の空気を揚湯管９外に排出するとともに、揚湯管９内への空気の流入を防ぐ自動空気抜き弁２１が設けられている。また内ケーシング１１内における源泉水１の水面Ｈよりも上方には、内ケーシング１１の外部と連通する図示していない空気抜き装置が接続され、この空気抜き装置により内ケーシング１１内から空気を抜くことで内ケーシング１１内の温泉水１の水面よりも上方を真空状態にし、内ケーシング１１内の源泉水１が空気中の酸素と接触することを防止している。

また、内ケーシング１１の上端部には、内ケーシング１１内の源泉水１から生じる硫化水素や二酸化硫黄等の酸素を含まない嫌気を内ケーシング１１外に排出する図示していない自動嫌気排出弁も設けられている。このため、内ケーシング１１内における源泉水１から嫌気が生じても、随時この嫌気を自動嫌気排出弁から排出することで、内ケーシング１１内における源泉水１の水面よりも上方に嫌気が圧縮された状態で充満することを防いでいる。

密閉体５の上方ケーシング５−１の下方に連続し熱交換部Ｂに構築される中間ケーシング５−２は流入管１３ａと返出管１３ｂとを囲繞する約１５０ｍｍφの口径に縮径されおよそ５００メートルの長さをもって温泉井戸３に挿入されている。従って、図３（ｂ）に示すように流入管１３ａと返出管１３ｂは上方ケーシング５−１から中間ケーシング５−２に向かって内方に屈曲し、内ケーシング１１の下部に貫通して固定された流入管１３ａと返出管１３ｂとの屈曲部は、中間ケーシング５−２内を通り、更に下方に延びた下方ケーシング５−３内に挿入される。

下方ケーシング５−３は図２の拡大図で示す流入管１３ａと返出管１３ｂが折り返されている位置までおよそ３００メートル下方に延在している。そして下方ケーシング５−３の先端は採温水口５ａが形成されたストレーナ２３として更に２００メートルから３００メートル延びている。そして流入管１３ａと返出管１３ｂの間には浮力パイプ１０が固着されている。

浮力パイプ１０は長さがおよそ５から１０メートル有し、口径は流入管１３ａと返出管１３ｂとほぼ同径であり、図４（ａ）に示すように、２本の浮力パイプ１０が流入管１３ａと返出管１３ｂの間に溶着によって固定されており、その溶着箇所は熱交換部Ｂの範囲において据付時の重さにより複数箇所設けられている。浮力パイプ１０の両端部は、図４（ｂ）に示すように、密閉されており、内部は所定圧力のエアーが封入されている。これにより流入管１３ａ及び返出管１３ｂの重量が浮力パイプにより軽減するので、水管の施工や補修時の操作が容易となる。

次に図２及び図３に基づき熱交換部Ｂの作用について説明する。地上側よりポンプを利用して流入管１３ａへ給水された真水は、手動弁２３、逆止弁２５を介し上部ケーシング５−１と内部ケーシング１１の間、中間ケーシング５−２、下部ケーシング５−３に配設された流入管１３ａ内を下降し、図２の一部拡大図で示したように先端部で円弧状に折り返されて流入管１３ａと連通接続した返出管１３ｂへと流れる。そして下部ケーシング５−３、中間ケーシング５−２、上部ケーシング５−１と内部ケーシング１１内に配置された返出管１３ｂ内を通って地上に戻される。

流入管１３ａ内を下降した真水は熱交換部Ｂにおいて、揚湯ポンプ７の作動によって源泉部Ａから汲み上げられた源泉水１により熱交換され温水となり、更に返出管１３ｂ内においてもこの熱交換されて、その後上部ケーシング５−１と内部ケーシング１１の間に配置された返出管１３ｂを通り地上に設けた逆止弁２７、手動弁２９を介し貯槽部Ｄに戻される。

揚湯ポンプ７の作動によって源泉部Ａから源泉水１を汲み上げられると、源泉水１は採温水口５ａより熱交換部Ｂを構成する下方ケーシング５−３、中間ケーシング５−２を通って揚水ポンプ７に吸い込まれ揚湯管９より送水管１９へと移送されるため、熱交換部Ｂにおいて、真水は地底温度に近い高い温度の源泉水１と常に熱交換されるために、地上部で熱交換する従来の熱交換と比較して高温の温水を得ることができる。このように温泉井戸内にて温水を作ることができるので、上屋等のスペースを必要としない利点がある。また水管１３を熱交換部Ｂまで延在させるだけで熱交換が可能であり、特段の熱交換器を設ける必要がない。

送水管１９はステンレス、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等温泉泉質により最も適した材質の配管が選定されるが、水管１３は源泉水と混じり合うことがないので温泉泉質を考慮して材料を選定する必要がなく、ステンレス管、鋼管、又はチタン鋼管等を用いることができる。一方、地上部に露出した流入管１３ａ、返出管１３ｂの外周面には、熱損失を考慮してグラスウールやフェノールフォーム等の断熱材によって包まれた管体とすることが好ましい。

また水管１３には真水１をパイプ内で旋回させるための旋回手段３１が設けられている。この旋回手段３１は水管１３の内壁周方向に定間隔で設けられた複数の螺旋状のリブで構成されており、真水１が旋回手段３１を通過すると旋回流が生じ、熱交換されて加温された真水の温度が均一になり、効率的に熱交換を行うことができる。なお旋回手段はパイプ内壁に設けた螺旋状のリブに代えて、水流で回転する水車のようなものをパイプ内に回転自在に取り付けたものを使用しても良い。

次に井戸温泉熱交換装置の揚水部Ｃ及び貯槽部Ｄとの関連構成について図５に基づき説明する。流入管１３ａへの給水は、貯水槽３４に貯水された０℃から２０℃ほどの真水を給水ポンプ４１により汲み上げることにより行う。そして先に説明したように、流入管１３ａを介して揚水部Ｃの外周部、熱交換部Ｂを経て返出管１３ｂより貯湯槽３３に戻ってくる。

断熱材によって包まれた筐体から成る貯湯槽３３は、日中に貯湯する常用貯湯槽３３−１と夜間に貯湯する比較的高温の補助貯湯槽３３−２とで構成され、常用貯湯槽３３−１と補助貯湯槽３３−２とには該槽の底面側と上面側の温度を検出する温度計３５がそれぞれ設けられ熱交換部Ｂによって加温された真水は返出管１３ｂより第１返出管１３ｂ−１を介して常用貯湯槽３３−１に、若しくは第２返出管１３ｂ−２を介して補助貯湯槽３３−２に、選択的に貯湯される。

第１返出管１３ｂ−１及び第２返出管１３ｂ−２にはそれぞれ手動調整弁３６―１，３６−２と電動弁３８―１，２８−２が設けられており、手動調整弁弁３６―１，３６−２の弁開度調整により水管１３内を流れる真水の流速を調整して、第１返出管１３ｂ−１及び第２返出管１３ｂ−２を通って常用貯湯槽３３−１または補助貯湯槽３３−２に貯湯される温水の温度を調整することが可能である。

また、手動調整弁に替えて自動調整弁を用い、温度計３５からの温度を入力信号として図示しない制御装置に取り入れ、該入力信号に基づき自動調整弁の弁開度を可変にすることで常用貯湯槽３３−１あるいは補助貯湯槽３３−２に貯水した温水を所定温度に保持することも可能である。

一般に、日中は温水の使用量が多いので、第１返出管１３ｂ−１に設けた手動調整弁３６―１の弁開度を大きくしておき、４３℃から４５℃の湯水を常用貯湯槽３３−１に貯湯して給湯ポンプ３９により、風呂、シャワー、融雪、床暖、温床あるいは洗濯等に使用することができる。このときは第２返出管１３ｂ−２に設けた電動弁３８−２は閉鎖しておく。夜間は温水の使用量が少ないので、手動調整弁３６―２の弁開度を絞り、５０℃から６０℃程度或いはそれ以上の湯水を貯湯しておき、高温水として使用したり、使用量の多い日中の補給温水として使用することが可能である。このときは第１返出管１３ｂ−１に設けた電動弁３８−１は閉鎖しておく。

図６に示しように、補助貯湯槽３３−２に設けた給湯ポンプ３９より高温水を需要箇所に送水する給湯管４０を三方切換弁４９を備えた補給管５１に接続して、例えば温度低下してしまった補助貯湯槽３３−２内の温水を急速加熱することもできる。

この場合、給湯管４０より需要箇所に送水する流れを三方切換弁４９により切り換えて補給管５１に向かう流れとし、給湯ポンプ３９の駆動により補助貯湯槽３３−２内の温度低下した温水を流入管１３ａ側に流れるようにする。その際補給管５１から流入管１３ａ側に向かう温水が貯水槽３４に流れ込まないように給水ポンプ４１から流入管１３ａに向かう流れのみ許容する逆止弁４４を給水管１３ａ−１に設けておく。

そして流入管１３ａ側に流れた補助貯湯槽３３−２からの温度低下した温水は熱交換部Ｂにて熱交換されて補助貯湯槽３３−２に戻ることが可能となり、この流れのサーキュレーションを繰り返すことで、源泉の温度によって差はあるが、およそ３０℃から８５℃程度の比較的高温の温水が補助貯湯槽３３−２に急速に蓄えられる。そして所要の高温水が得られたところで、三方切換弁４９を元に戻して流入管１３ａと給湯ポンプ３９との流れの接続を絶つ。

以上、本実施例における井戸温泉熱交換装置は、源泉に向けて挿入された管状の密閉体５と、源泉から源泉水１を汲み上げて密閉体５の外方に揚湯管９を介して吐出するように前記密閉体５内に配置される揚湯ポンプ７と、を備え、前記源泉から揚湯ポンプ７までに汲み上げられる源泉水１と前記源泉水近傍まで挿入された水管１３内の真水との間で熱交換させる井戸温泉熱交換装置であって、水管１３は地上より管状の密閉体５を通って先端が源泉近傍まで延在する流入管１３ａと、該流入管１３ａの先端と連通接続し前記密閉体５内を通って地上まで延在する返出管１３ｂとで構成されているので、流入管１３ａより送られ源泉近傍で折り返して返出管１３ｂを介して地上に戻る水管１３内の真水は、揚湯ポンプ７により汲み上げられる地底温度に近い高い温度の源泉水１と常に熱交換できる。また水管１３内の真体は源泉水１と直接接触することなく密閉体５内で熱交換するので、地上に設けた熱交換用の源泉タンクや熱交換器を使用する必要がなく、源泉タンクの内面及び熱交換器の内周面にこれら不溶性成分の析出物・沈殿物が付着する虞がない。更に温泉井戸内にて温水を作ることができるので、上屋等のスペースも必要としない。

また本実施例における井戸温泉熱交換装置は、水管１３には水管１３内を流れる真水に旋回運動を与える旋回手段３１を備えているので、真水の温度の均一化が図れ、効率的に熱交換を行うことができる。

また本実施例における井戸温泉熱交換装置は、流入管１３ａ内の真水は貯水槽３４に貯水された真水を給水ポンプ４１により送水したものであって、返出管１３ｂを介して貯湯槽３３に戻るように構成されているので、短時間で貯湯槽３３内に所定温度の温水を得ることができる。

また本実施例における井戸温泉熱交換装置は、前記密閉体５内の流入管１３ａと返出管１３ｂは浮力パイプ１０に固定されているので、流入管１３ａと返出管１３ｂの重量が浮力パイプ１０により軽減でき、水管の施工や補修時の操作が容易となる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、旋回手段３１の数や密閉体５の地中への挿入長さ配置は源泉水の温度や熱交換部Ｂの長さ等の条件によって適宜設定される。

また流入管及び返出管の口径は５０ｍｍφとしたが、特にこの口径に限定したものではなく、例えば３０ｍｍφや８０ｍｍφの口径のものを使用することもある。

また貯蔵槽３３を常用貯湯槽３３−１と補助貯湯槽３３−２の二つで構成したが、常用貯湯槽３３−１のみでも良いし、２つ以上複数の貯湯槽を設けるようにしても良い。

また浮力パイプ１０は流入管１３ａと返出管１３ｂとの間に２本用いた例で説明したが、その数は１本でも良いし、２本以上複数本用いることもでき、また溶着箇所は熱交換部Ｂの長さに応じて適宜間隔を置いて複数箇所溶着すれば良い。

また源泉水の温度が比較的高い、または水位（揚水部Ｃの水面Ｈ）が高い場合は、揚湯ポンプ７において揚水し、いつも新しい熱源ができることを利用して、例えば口径が３００ｍｍφで約１００メートルに亘り揚水部Ｃを囲繞するようにしている上方ケーシング５−１内に、口径が５０ｍｍφの複数の流入管及び返出管をセットすることで、比較的多量の温水を容易に得ることができる。

１ 温泉水
５ 密閉体
７ 揚湯ポンプ
９ 揚湯管
１０ 浮力パイプ
１３ａ 流入管（水管）
１３ｂ 返出管（水管）
３１ 旋回手段
３３−１ 常用貯湯槽
３３−２ 補助貯湯槽
４１ 給水ポンプ
５１ 補給管
Ａ 温泉部
Ｂ 熱交換部
Ｃ 揚水部
Ｄ 貯槽部
Ｅ 密閉部

Claims (4)

1. 源泉に向けて挿入された管状の密閉体と、前記源泉から源泉水を汲み上げて前記密閉体の外方に揚湯管を介して吐出するように前記密閉体内に配置される揚湯ポンプと、を備え、前記源泉から揚湯ポンプまでに汲み上げられる源泉水と前記源泉水近傍まで挿入された水管内の真水との間で熱交換させる井戸温泉熱交換装置であって、
   前記密閉体は、地上側から源泉に向けて上方ケーシング、中間ケーシング及び下方ケーシングで構成されており、上方ケーシング内には源泉水を汲み上げる揚湯ポンプと、汲み上げた源泉水を地上側に供給する揚水管とを囲繞する内ケーシングと、が設けられ、
   前記水管は地上より上方ケーシングと内ケーシングの間を通り、中間ケーシング及び下方ケーシングを経て先端が源泉近傍まで延在する流入管と、該流入管の先端と連通接続し下方ケーシング、中間ケーシングを経て上方ケーシングと内ケーシングの間を通って地上まで延在する返出管とで構成され、前記中間ケーシングは上方ケーシングよりも長く、口径は縮径されていることを特徴とする井戸温泉熱交換装置。
2. 前記水管には水管内を流れる真水に旋回運動を与える旋回手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の井戸温泉熱交換装置。
3. 前記流入管内の真水は貯水槽に貯水された真水を給水ポンプにより送水したものであって、前記返出管を介して貯湯槽に戻るように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の井戸温泉熱交換装置。
4. 前記密閉体内の流入管と返出管は浮力パイプに固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の井戸温泉熱交換装置。

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